自动控制原理电子教案

第一章自动控制原理的基本概念

主要内容：

➢自动控制的基本知识

➢开环控制与闭环控制

➢自动控制系统的分类及组成

➢自动控制理论的发展

§1.1 引言

控制观念

生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。

同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。

例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制

控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。

控制任务可由人工控制和自动控制来完成。

§ 1.2 自动控制的基本知识

1.2.1 自动控制问题的提出

一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。

当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。

所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。

这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。

1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件

1. 自动控制的定义

自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。

当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。

2. 自动控制的基本职能元件

自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。

比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：

➢测量元件与变送器（代替眼睛）

➢自动控制器（代替大脑）

➢执行元件（代替肌肉、手）

这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图。

1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图

1.常用术语

控制对象控制器系统系统输出操作量参考输入扰动特性2.系统方框图

将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。

§1.3 自动控制系统的基本控制方式

控制方式：开环控制和闭环控制

1.3.1 开环控制

定义:控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。

开环控制系统的典型方框图如图所示。

例如：交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机

1.按给定控制

下图是一个直流电动机转速控制系统。

工作原理：

以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。

2.按扰动控制

图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。

控制过程可用方框图表示成如图示的形式。

把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。

开环控制的特点：

➢结构简单、调整方便、成本低。

➢给定一个输入，有相应的一个输出。

➢作用信号是单方向传递的，形成开环。

➢输出不影响输入。

➢若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确

的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差

1.3.2 闭环控制

定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。常用术语：

反馈控制系统闭合闭环控制系统

◆反馈控制原理：被控变量作为反馈信号，与希望值比较得到偏差输入；根据输入偏差大小，调整控制信号；控制信号通过执行器的操作消除偏差，实现控制目标。

反馈：输出量经测量后的信号回送到输入端。

反馈连接方式有负反馈和正反馈。

负反馈：反馈信号的极性与输入信号相反，使被控对象的输出趋向希望值。

直流电动机转速闭环控制的例子。

闭环控制的特点：

➢由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行控制；

➢抗干扰能力强，精度高；

➢存在稳定性问题。系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常工作；

➢自动控制理论主要研究闭环系统。

闭环控制系统的典型方框图如图所示。

一、开环与闭环控制系统的比较

二、复合控制方法

常见的方式有以下两种：

1.附加给定输入补偿

2. 附加扰动输入补偿

§1-4 自动控制系统的分类基本组成

1.4.1 按给定信号的特征划分

1. 恒值控制系统：

➢系统任务：c(t)=r(t) r(t)常数

➢分析设计重点:研究干扰对被控对象的影响,克服扰动液位控制系统，直流电动机调速系统等等。

2. 随动控制系统：

➢系统任务：c(t)=r(t) r(t)随机变化

➢分析设计重点:系统跟踪的快速性，准确性

跟踪卫星的雷达天线系统

3. 程序控制系统：

➢系统任务：c(t)=r(t) r(t)按预先规定时间函数变化

➢分析设计重点:输出按一定的规律变化

机械加工中的程序控制机床等等。

1.4.2 按系统的数学描述划分

1.线性系统

当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。

2.非线性系统

系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。

1.4.3 按信号传递的连续性划分

1.连续系统

连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。

连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。

2.离散系统

控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。